Miniaturisierung neu gedacht 3D-MID Leiterplatten: Zukunftsvision oder Realität?

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Mit 3D-MID wird das Portfolio der 3D- bzw. 2,5D-Leiterplatten-Technologien um Möglichkeiten ergänzt, die im Gesamtsystem kostengünstig realisierbar sind. Die Vorteile im Überblick.

Mit 3D-MID (Molded Interconnect Device) wird das Portfolio der alternativen 3D- bzw. 2,5D-Leiterplatten-Technologien – wie flexible und verformbare Leiterplatten – um Möglichkeiten ergänzt, die im Gesamtsystem nur durch MID technologisch sinnvoll und kostengünstig realisierbar sind. Hier bietet 3D-MID die intelligente und elegante Lösung für die innovative Systementwicklung.

Nur sehr wenige Hersteller, wie Contag in Berlin, bieten den kompletten Service für 3D-MID-Projekte von der Design-Beratung und Materialauswahl über Rapid Prototyping bis hin zur Kleinserienfertigung und Bestückung (mit qualifizierten Partnern) aus einer Hand.

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Material und Herstellungsverfahren

Die Prozesskette: Für die Herstellung von räumlichen elektronischen Baugruppen steht eine Vielzahl von technologischen Möglichkeiten bereit. Der Berliner Leiterplattenspezialist nutzt mit LDS (Laser Direct Structuring) ein etabliertes Verfahren, das insbesondere für schnelles MID-Prototyping, für die Nutzung eines umfangreichen Materialportfolios und für die Machbarkeit feiner Strukturen bestens geeignet ist.

Dazu muss das verwendete Material durch die Beimischung spezieller Pigmente selektiv aktivierbar sein, d. h., beim eigentlichen Strukturierungsprozess legt dann der Laser an der Oberfläche Partikel frei, auf dem anschließend Kupfer chemisch abgeschieden werden kann (Bilder 1 und 2).

Für den Grundkörper sind viele Spritzgussmaterialien bereits seit Jahren etabliert und am Markt verbreitet. Allerdings sind UV-vernetzte Harze, die für das LDS-Verfahren vorbereitet sind, kommerziell nicht erhältlich. Das Unternehmen hat ein SLA/DLP-druckbares und LDS-fähiges Material selbst entwickelt und hinsichtlich thermischer und mechanischer Eigenschaften für den Einsatz als MID-Schaltungsträger optimiert (SLA – 3D-Druck mittels Stereolithografie; DLP – 3D-Druck mittels Digital Light Processing).

Das Unternehmen verfügt im eigenen Haus über die komplette Prozesskette aus 3D-Druck (SLA/DLP), Laser-Direkt-Strukturierung, chemischer Kupferabscheidung sowie Nickel-Gold als Endoberfläche und kann somit Prototypen mit kurzen Lieferzeiten anbieten.

Rapid-Prototyping: Das Rapid Prototyping ermöglicht die Herstellung von 3D-MID-Prototypen und Funktionsmustern in kurzer Zeit und mit überschaubarem Budget. Die Validierung von Design und Funktionalität gibt Sicherheit für den Projekterfolg, bevor in die Serienfertigung investiert wird. In Berlin setzt man dabei auf den stereolithografischen 3D-Druck in Kombination mit der Laser-Direkt-Strukturierung.

Grundsätzlich stehen verschiedene LDS-strukturierbare Duroplaste zur Verfügung, wobei je nach konkretem Anwendungsfall der optimale Kompromiss aus erforderlicher mechanischer Belastbarkeit (u. a. Bruchdehnung) und thermischer Belastbarkeit (Lötbarkeit) gewählt werden kann. Im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren bietet der stereolithografische Druck durch die hohe Auflösung von 25 µm (x,y,z) eine hervorragende Detailtreue bei gleichzeitig hoher Oberflächengüte.

Darüber hinaus benötigen diese Materialien keine zusätzliche Oberflächenbehandlung als Vorbereitung für die Laser-Direkt-Strukturierung. Somit wird eine hohe Dimensionstreue bei gleichzeitig größtmöglicher Strukturauflösung von 150 µm line/space garantiert. Aus den CAD-Daten lassen sich qualitativ hochwertige Grundkörper für 3D-MID Prototypen in kürzester Zeit fertigen.

Mit dem Standardmaterial steht eine Variante zur Verfügung, die sowohl den thermischen Anforderungen von Standard-Lötverfahren als auch den üblichen mechanischen Anforderungen typischer 3D-MID-Endanwendungen gerecht wird. Ist eine höhere mechanische Belastbarkeit gefordert (z.B. eine höhere Bruchdehnung) oder soll bei der Bestückung auf Niedertemperaturverfahren zurückgegriffen werden, steht auch dafür ein geeignetes Material zur Verfügung. Eine gute chemische Beständigkeit gegen Laugen, Säuren, (Mineral-)Öle, Fette, Kohlenwasserstoffe, Salzwasser, Alkohol, Wasserstoffperoxid ist bei allen Materialien gegeben.

1K-Spritzguss: Bei größeren Stückzahlen ist es technisch und wirtschaftlich sinnvoll, das Bauteil im Spritzgussverfahren herzustellen. Die Berliner bieten auch 1K-Spritzguss auf Basis gefräster Aluminium-Werkzeuge an, mit denen auch bei hohen Stückzahlen eine Dimensionsgenauigkeit von ca. ± 0,08 mm gewährleistet werden kann. Die erzielbare Strukturauflösung von 200 μm line/space ist für die Mehrzahl der MID-Anwendungen vollkommen ausreichend.

Mit dem Werkstoff Aluminium lassen sich bei nur geringen Einbußen in der Produktqualität Kosten und Lieferzeiten im Vergleich zu Werkzeugen aus Stahl signifikant reduzieren. Darüber hinaus kann auch bei dieser Variante auf die gesamte Bandbreite der LDS-fähigen Thermoplaste zurückgegriffen werden, von einfachen ABS-Substraten bis hin zu Hochleistungskunststoffen wie LCP oder PEEK.

Laserdirektstrukturierung und Metallisierung

Die selektive Strukturierung der Oberfläche zur Einbringung des Layouts ist unabhängig von der gewählten Herstellung des Grundkörpers. Das Basismaterial enthält Metallkomplexe, die durch die Laserbelichtung entlang des elektrischen Layouts freigelegt werden und die chemische Abscheidung von Kupfer ermöglichen (Bild 2). Ein gleichzeitiges Anrauen der Oberfläche sorgt für eine hohe Haftfestigkeit des Kupfers, die den IPC-Leiterplattennormen entspricht.

Die chemisch abgeschiedene Kupferschicht hat im Standard eine Stärke von 10 bis 14 μm und lässt sich, je nach Layout, ggf. auch galvanisch noch weiter verstärken. Das Standard-Oberflächenfinishing ist die aus der PCB-Technologie bekannte und etablierte ENIG-Oberfläche (Electroless Nickel Immersion Gold).

Das elektrische Layout ist standardmäßig einlagig, es können aber auch doppelseitige und durchkontaktierte Schaltungen realisiert werden. Dabei stellen sowohl das LDS-Verfahren als auch der 1K-Spritzguss sowie nachgelagerte Metallisierungs- und Bestückungsprozesse besondere Anforderungen an das Design des Grundkörpers und die Layoutgestaltung (Bild 3). Diese Anforderungen sollten bereits in der frühen Entwicklungsphase des Projektes berücksichtigt werden.

Neben anderen Herstellern bietet nun auch Altium (Renesas) ein Design-Tool zur Erzeugung von 3D-MID-Daten an. Dieses ermöglicht eine schnelle Datenaufbereitung unter Berücksichtigung der Designregeln und bietet somit große Vorteile in der Entwicklung. Einfachere Layouts lassen sich jedoch auch in etablierten mCAD-Umgebungen effizient erzeugen.

Bestückung und Weiterverarbeitung

MID-Prototypen und Kleinserien mit Bauelementen werden, auch in Abhängigkeit der Komplexität, häufig manuell bestückt. Auch eine automatisierte Bestückung von 3D-MID ist fast immer möglich und Stand der Technik. Um eine präzise Positionierung sämtlicher Pad-Flächen zu den Bearbeitungsköpfen entsprechender SMD-Produktionsanlagen zu gewährleisten, wird das Formteil dazu auf einem mehrachsigen Träger fixiert und analog zur konventionellen SMD-Bestückung von oben bearbeitet.

Die Bearbeitungsköpfe verfügen zusätzlich über einen Verfahrbereich von 530 mm x 350 mm in x- und y-Richtung sowie 150 mm in z-Richtung. Werden die Randbedingungen des Verfahrbereiches und die Zugänglichkeit der Pad-Flächen von oben beim Design des Formteils berücksichtigt, stehen mit geringem technischen Mehraufwand ausreichend Freiheitsgrade für die Bestückung auf schrägen oder gekrümmten Flächen zur Verfügung. Aufwändige Sonderanlagen sind nicht erforderlich.

Ist der Einsatz von Lötstopplacken erforderlich, gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen kann Lötstopplack vor dem Auftragen der Lotpaste durch einen separaten Bearbeitungskopf des Bestückungsautomaten selektiv an empfindlichen Stellen aufgetragen werden. Alternativ wird der gesamte Grundkörper mit Lötstopplack beschichtet. In einem anschließenden Laserprozess werden die zu lötenden Pad-Flächen wieder freigelegt.

Zum Löten der vormontierten Bauteile können bei Grundkörpern aus ausreichend temperaturbelastbaren Materialien wie dem hauseigenen Standardmaterial gängige Lote und Reflow-Lötverfahren eingesetzt werden (Bild 5). Bei thermisch sensiblen Substraten kommen neben Leitkleben oder Niedertemperatur-Loten auch Lötverfahren wie selektives Laserlöten oder photonisches Löten mit Blitzlampen in Frage.

Zusammenfassung und Ausblick

Die konventionellen Leiterplatten-Technologien wie Multilayer, Flex- und Starrflex- oder HDI-SBU-Aufbauten sind anwendungsseitig oft nicht die geeigneten Lösungen für Applikationen, bei denen mechanische und elektrische Funktionalität in einem Bauteil (Aufbau- und Verbindungsträger) zusammengeführt werden sollen.

Über die Grenzen konventioneller Leiterplattentechnik hinaus verfügt Contag über ein umfassendes Knowhow für Lösungen im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechniken. Dazu zählt auch 3D-MID. Hier wird von der Beratung in der initialen Planungsphase über das Rapid-Prototyping bis hin zur Fertigung von Klein- und Großserien ein Komplettangebot für Projekte offeriert, da die beste Lösung für kundenspezifische Herausforderungen an den Schaltungs- bzw. elektrischen Funktionsträger angeboten werden soll. Hier schöpfen die Berliner aus einem umfangreichen Technologie- und Material-Pool. (kr)

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* Christian Ranzinger ist CTO bei CONTAG.

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